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      一種精密減振組件及由其構(gòu)成的減振平臺的制作方法

      文檔序號:2811296閱讀:202來源:國知局
      專利名稱:一種精密減振組件及由其構(gòu)成的減振平臺的制作方法
      技術(shù)領域
      本發(fā)明屬于精密制備技術(shù),具體涉及一種精密減振組件及由其構(gòu)成的 減振平臺。本發(fā)明具有精密減振、精確調(diào)平調(diào)焦功能,可用于光刻機、精 密機床、精密測量設備等高精度設備。
      背景技術(shù)
      光刻機是一種具有復雜結(jié)構(gòu)的微機電裝備,分辨率和套刻精度達到納 米級,具有極大的制造難度,已接近精密制造技術(shù)的極限。光刻機對于減 振系統(tǒng)的要求也達到了極其苛刻的程度,代表了精密減振的最高難度,也 是精密減振技術(shù)的最典型應用對象。光刻機中的運動部件包括硅片臺和掩 模臺,他們的運動和定位精度是影響光刻機整機精度的重要指標。為了完 成一場曝光,掩模臺和硅片沿Y方向以4: l的速度比反向掃描運動,完成一場曝光后,硅片臺沿x向步進到下一場并繼續(xù)曝光,由此可見,掩模臺和硅片臺在工作過程中一直在水平面內(nèi)往復運動,這將造成掩模臺硅片臺 在水平面內(nèi)的偏轉(zhuǎn),形成內(nèi)部振源,同時從基座傳遞的外部環(huán)境微振動與 之發(fā)生耦合,嚴重影響運動精度。目前大多數(shù)光刻機都使用一套減振系統(tǒng)將光刻機分離為部分內(nèi)部世界和外部世界。外部世界為光刻機的整機框 架直接與地基相連,光刻機其余部分作為內(nèi)部世界懸浮于外部世界之上。 這樣的結(jié)構(gòu)能夠起到一定的隔離外部振動的功能。但時。由于減振系統(tǒng)的 布置方式,使得減振作用僅在兩部分連接處起作用,而對光刻機內(nèi)部的關 鍵部件硅片臺和淹沒臺的內(nèi)部振動激勵作用不大。經(jīng)過理論分析和實際測 試發(fā)現(xiàn),光刻機的掩模臺、硅片臺和物鏡仍以一定的頻率進行微幅振動。 因此必須針對關鍵部件的特征進行分別減振才能滿足光刻機精度不斷提高
      的要求。掩模臺和硅片臺在垂向的定位精度也是影響光刻質(zhì)量的主要因素,在 傳統(tǒng)的光刻機中通常采用一套結(jié)構(gòu)復雜的調(diào)平調(diào)焦機構(gòu)來完成垂向定位精 度的保證,這樣會使運動臺的結(jié)構(gòu)復雜化,同時由于增大工作臺的慣量使 得控制難度加大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種精密減振組件及由其構(gòu)成的減振平臺,該精密減振組件具有減振、定位功能;由其構(gòu)成的減振平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對低頻和 超低頻擾動的有效抑制和高頻振動的衰減,并具有調(diào)平、調(diào)焦和定位功能。本發(fā)明提供的精密減振組件,其結(jié)構(gòu)為機架為中空圓柱形,機架的側(cè)壁上開有進氣孔,在機架側(cè)壁下方分別布置有多個排氣道,機架的底部開有用于連接外接氣源的進氣口;活塞桿為圓柱形,其剖面成H型;活塞 桿位于機架內(nèi);在機架與活塞桿之間形成一層柱面壓力氣膜;進氣孔、柱 面壓力氣膜和排氣道構(gòu)成柱面氣浮軸承;機架底部開有進氣口 ;活塞桿內(nèi)包含上、下腔體,其中一個腔體中安裝有氣囊,另一個腔體密 封構(gòu)成壓力腔;該壓力腔與氣囊之間開有阻尼調(diào)節(jié)孔,位于下腔體的壓力 腔或氣囊與進氣口相連;端面氣浮軸承定子固定在活塞桿的上端部,端面氣浮軸承動子位于端面 氣浮軸承定子的上方;節(jié)流孔內(nèi)嵌在端面氣浮軸承定子上,位于活塞桿上 部的壓力腔或氣囊相通,在端面氣浮軸承定子與端面氣浮軸承動子之間形 成一層端面壓力氣膜,端面氣浮軸承動子通過端面壓力氣膜懸浮在端面氣 浮軸承定子之上;端面氣浮軸承動子與柔性鉸固定連接;音圈電機包括音圈電機定子和音圈電機動子構(gòu)成,音圈電機定子與機 架端部固定連接,音圈電機動子與端面氣浮軸承動子固定連接。至少三個精密減振組件成多邊形布置構(gòu)成減振平臺。
      本發(fā)明提供的精密減振組件通過被動減振部件和主動減振執(zhí)行器的組 合實現(xiàn)對較寬頻帶內(nèi)的Z向振動衰減和抑制,由主動減振執(zhí)行器同時還能 實現(xiàn)Z向的精確定位。由三個上述精密減振組件構(gòu)成的減振平臺具有Z, RX, RY三個方向的減 振功能,同時具有Z向定位,調(diào)平。由于精密減振組件中端面氣浮軸承的存 在,使得該減振平臺在水平面內(nèi)運動是,無機械摩擦力存在,能達到更到 的水平定位精度。本發(fā)明可以為光刻機及其他的精密設備提供超靜的環(huán)境。同時由于該 裝置具有調(diào)平定位功能,可以在不加任何輔助機構(gòu)的情況下完成光刻機中 的調(diào)平調(diào)焦功能。具體而言,本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果(1) 采用主動減振和被動減振組合的方式,可實現(xiàn)減振裝置具有超低 的固有頻率,能對固有頻率以上的振動有效的隔離。(2) 被動減振裝置采用精密氣囊與壓力腔組合的方式,通過阻尼孔的 自動調(diào)節(jié)可實現(xiàn)在低頻時的大阻尼和高頻時的小阻尼,改善裝置在固有頻 率處的隔振效果,并提供高頻處的較高衰減率。(3) 由于采用了較大體積的壓力腔,可以緩解被控對象運動或振動時 對氣囊壓力的沖擊,使得被控對象的運動更平穩(wěn)。(4) 采用兩套氣源分別對柱面氣浮軸承和氣囊供氣,實現(xiàn)被動裝置在 水平方向的大剛度和垂向的低剛度。(5) 單個主動減振裝置的執(zhí)行器在進行振動主動控制的同時,還具有 Z向定位功能,多個減振裝置組合即可達到對被控對象水平面RX, RY方向的 調(diào)節(jié)。(6) 被控對象懸浮在精密減振系統(tǒng)之上,沒有直接的機械接觸,不會 給被控對象水平面內(nèi)的運動帶來誤差。


      圖1為本發(fā)明提供的精密減振組件的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為本發(fā)明中第一氣路圖; 圖3為本發(fā)明中第二氣路圖;圖4為本發(fā)明提供的減振平臺的一種具體實施方式
      的結(jié)構(gòu)示意圖。
      具體實施方式
      以下結(jié)合設計實例和附圖進一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理。 如圖1所示,本發(fā)明提供的精密減振組件由外框架、被動減振部件和 主動減振執(zhí)行器組成。機架1為中空圓柱形,機架1的側(cè)壁上開有進氣孔2,在機架1側(cè)壁下 方分別布置有多個排氣道4,釋放柱面氣浮軸承流出的壓力氣體,其底部開 有用于連接外接氣源的進氣口 10。活塞桿6為圓柱形,其剖面成H型,位 于機架l的圓柱形腔內(nèi)。當獨立氣源通過進氣口 ]0供氣時,壓力氣體由機架1上的進氣孔2后 流出,在機架1與活塞桿6之間形成一層柱面壓力氣膜3,該壓力氣膜3剛 度較大,實現(xiàn)垂向潤滑功能。進氣孔2、柱面壓力氣膜3、排氣道4組成柱面氣浮軸承,機架1和柱 面氣浮軸承構(gòu)成外框架,其中,機架1承載著被動減振部件和主動減振部 件,柱面氣浮軸承為被動減振部件提供垂向的導向功能,使被動減振部件 與機架間實現(xiàn)垂向的無摩擦運動。氣囊5的底部與機架1固定連接,提供較大的垂向支撐力并具有較低的 垂向剛度,能隔離和衰減高于其固有頻率的振動。氣囊5的進氣口 9與外 接氣源的進氣口 10相通?;钊麠U6位于氣囊5上,活塞桿6由氣囊5支承, 跟隨氣囊5的高度變化而運動;活塞桿6使用密封墊片11和螺栓12將活 塞桿6的上端面與端面氣浮軸承定子13固定連接形成一個體積較大的壓力 腔7。端面氣浮軸承動子16位于端面氣浮軸承定子13的上方,共同構(gòu)成端 面氣浮軸承。氣囊5與活塞桿壓力腔7之間設計了一個阻尼調(diào)節(jié)孔14,使 得兩個氣室相互貫通并保持壓力一致。當系統(tǒng)在低頻段振動時,由阻尼調(diào) 節(jié)孔14為氣囊5提供阻尼,當系統(tǒng)在高頻振動時,阻尼調(diào)節(jié)孔14不起作 用,這樣實現(xiàn)對系統(tǒng)低頻共振頻率處的大阻尼和高頻振動的低阻尼。該壓 力腔7同時形成了端面氣浮軸承的壓力供給腔,端面氣浮軸承采用小孔節(jié)流方式,節(jié)流孔15內(nèi)嵌在端面氣浮軸承定子13上,與端面氣浮軸承定子 13中的氣道相連通,在端面氣浮軸承定子13與端面氣浮軸承動子16之間 形成一層端面壓力氣膜17。端面氣浮軸承動子16采用超靜平面的花崗巖或 高性能的陶瓷材料。端面氣浮軸承動子16通過端面壓力氣膜17懸浮在端 面氣浮軸承定子13之上。端面氣浮軸承動子16與柔性鉸8固定連接。由 于氣浮軸承的存在,柔性鉸8在水平面內(nèi)沿X/Y軸平動運動時無機械摩擦, 不會因此而產(chǎn)生運動誤差。上述氣囊5、活塞桿6、壓力腔7、端面氣浮軸承、柔性鉸8構(gòu)成被動 減振部件。主動減振執(zhí)行器采用直線型的音圈電機,音圈由于它體積小,特別適 合用在一些狹小的空間。另外它響應速度快(毫秒級),本身重量小,因而 可以達到很高的加速度,可以做高速振蕩往復運動(可達幾十赫茲)。采用 直線型的音圈電機可以避免在執(zhí)行器與被控對象之間的傳動機構(gòu),減少誤 差源,使得減振組件的機構(gòu)更為簡單。音圈電機包括音圈電機定子18和動 子19構(gòu)成,音圈電機定子18與機架1端部固定連接,音圈電機動子19與 被動減振部件中的端面氣浮軸承動子16固定連接。音圈電機定子18與動 子19間根據(jù)被控對象的振動狀態(tài)和位置信息,對氣浮軸承動子施加作用力, 帶動被控對象運動到指定的位置和對振動進行補償。在本發(fā)明中的減振組件采用了兩套外接氣源分別為氣囊5和柱面氣浮 軸承供氣。圖2為本發(fā)明中的第一氣路圖,第一儲氣罐20的壓力空氣通過 第一氣動伺服閥21控制后由機架1底部的氣道9流入至氣囊5中,氣囊5 中的壓力氣體由阻尼調(diào)節(jié)孔14流入至活塞桿內(nèi)部的壓氣腔7,再由活塞桿 氣腔流入端面氣浮軸承的節(jié)流孔15。氣體在端面氣浮軸承的定子13和動子 16之間產(chǎn)生壓力氣膜17,使得減振裝置與被控平臺之間無機械接觸。圖3為本發(fā)明中的第二氣路,第二儲氣罐22的壓力空氣通過第二氣動 伺服闊23控制后由機架1側(cè)向的進氣孔2進入機架1,在機架1與活塞桿 6之間形成一層柱面壓力氣膜3,實現(xiàn)垂向潤滑功能。在機架1上部與底部
      分別布置有多個排氣道4,釋放柱面氣浮軸承流出的壓力氣體。該氣路的壓 力大于第一氣路,因此使減振組件具有水平方向的大剛度和垂向的低剛度。本發(fā)明的具體實施為步進掃描光刻機硅片臺系統(tǒng)的減振平臺。減振平臺 要實現(xiàn)在水平面內(nèi)的精密運動和Z向的精確定位。由于其定位精度達到納 米級,外界的任何振動都會造成不可忽視的影響。同時由于減振平臺在水 平面內(nèi)的運動會導致減振平臺產(chǎn)生重心偏移,導致硅片無法精確進入投影 物鏡系統(tǒng)的焦面。因此該設計的主要功能為對外界環(huán)境振動進行衰減,同 時具有z向定位和調(diào)平功能。如圖4所示,在本發(fā)明的具體實施中,采用三點布置方式承載減振平臺。具有相同結(jié)構(gòu)的三個精密減振組件分布位置如圖4所示,減振組件F1, F2, F3成等邊三角形布置,使負載平臺24的重心與該等邊三角形的中心重合。 另一方面,F(xiàn)l, F2, F3盡量靠近負載平臺24邊沿,這樣使得在調(diào)平調(diào)焦過 程中,執(zhí)行器力臂增大,執(zhí)行力利用率更高。與負載平臺1直接固定連接 的為三個減振部件中的柔性鉸8的上平面,由于間減振組件中端面氣浮軸 承的存在,負載平臺24在水平面內(nèi)沿X/Y軸平動運動時無機械摩擦,不會 因此而產(chǎn)生運動誤差。構(gòu)成減振平臺的精密減振組件也可以是三個以上。在精密減振組件為多 個時,成多邊形布置,具體根據(jù)負載平臺的形狀確定。壓力腔與氣囊上下位置關系變化,即壓力腔在下,氣囊位于活塞桿之 上亦屬于本發(fā)明的范疇。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已,但本發(fā)明不應該局限于該實施 例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等 效或修改,都落入本
      權(quán)利要求
      1、一種精密減振組件,其特征在于機架(1)為中空圓柱形,機架(1)的側(cè)壁上開有進氣孔(2),在機架(1)側(cè)壁下方分別布置有多個排氣道(4),機架(1)的底部開有用于連接外接氣源的進氣口(10);活塞桿(6)為圓柱形,其剖面成H型;活塞桿(6)位于機架(1)內(nèi);在機架(1)與活塞桿(6)之間形成一層柱面壓力氣膜(3);進氣孔(2)、柱面壓力氣膜(3)和排氣道(4)構(gòu)成柱面氣浮軸承;機架(1)底部開有進氣口(10);活塞桿(6)內(nèi)包含上、下腔體,其中一個腔體中安裝有氣囊(5),另一個腔體密封構(gòu)成壓力腔;該壓力腔與氣囊(5)之間開有阻尼調(diào)節(jié)孔(14),位于下腔體的壓力腔或氣囊(5)與進氣口(10)相連;端面氣浮軸承定子(13)固定在活塞桿(6)的上端部,端面氣浮軸承動子(16)位于端面氣浮軸承定子(13)的上方;節(jié)流孔(15)內(nèi)嵌在端面氣浮軸承定子(13)上,位于活塞桿(6)上部的壓力腔或氣囊(5)相通,在端面氣浮軸承定子(13)與端面氣浮軸承動子(16)之間形成一層端面壓力氣膜(17),端面氣浮軸承動子(16)通過端面壓力氣膜(17)懸浮在端面氣浮軸承定子(13)之上;端面氣浮軸承動子(16)與柔性鉸(8)固定連接;音圈電機包括音圈電機定子(18)和音圈電機動子(19)構(gòu)成,音圈電機定子(18)與機架(1)端部固定連接,音圈電機動子(19)與端面氣浮軸承動子(16)固定連接。
      2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密減振組件,其特征在于氣囊(5)位 于活塞桿(6)的下腔體內(nèi),氣囊(5)的底部與機架(1)固定連接,氣囊(5)的進氣口 (9)與外接氣源的進氣口 (10)相通;活塞桿(6)由氣囊 (5)支承,活塞桿(6)的上端面與端面氣浮軸承定子(13)固定連接形 成壓力腔(7)。
      3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密減振組件,其特征在于氣囊(5)位于活塞桿(6)的上腔體內(nèi)。
      4、 一種由權(quán)利要求l、 2或3所述精密減振組件構(gòu)成的減振平臺,其特征在于它包括至少三個精密減振組件,各精密減振組件成多邊形布置。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種精密減振組件及由其構(gòu)成的減振平臺,具有減振和Z向定位功能。精密減振組件包括被動減振部件、主動減振執(zhí)行器和外框架。被動減振部件采用雙腔體結(jié)構(gòu)的活塞桿,氣囊和壓力腔分別位于兩個腔體內(nèi),氣囊具有較大的縱向支撐力和較低的剛度,能隔離衰減高頻的振動。主動減振執(zhí)行器為直線型音圈電機,與被動減振部件并聯(lián),根據(jù)被控對象振動狀態(tài)和位置信息,對被動對象施加作用力,帶動被控對象運動到指定的位置和對振動進行補償。至少三個精密減振組件構(gòu)成的減振平臺具有多自由度減振,Z向精確定位和調(diào)平調(diào)焦功能。本發(fā)明可用于光刻機、超精密數(shù)控機床、生物芯片掃描儀等具有精密減振要求的設備中。
      文檔編號G03F7/20GK101398636SQ20081019698
      公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
      發(fā)明者偉 姜, 翊 孫, 曾理湛, 李小平, 欣 羅, 蒲華燕, 陳學東 申請人:華中科技大學
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